Frontend-verkkolukkojen lukkiutumisen tunnistaminen: resurssilukkosyklien estäminen

Lukkiutumiset, tunnetusti hankala ongelma rinnakkaisohjelmoinnissa, eivät rajoitu ainoastaan backend-järjestelmiin. Myös frontend-verkkosovellukset, erityisesti ne, jotka hyödyntävät asynkronisia operaatioita ja monimutkaista tilanhallintaa, ovat alttiita niille. Tämä artikkeli tarjoaa kattavan oppaan lukkiutumisten ymmärtämiseen, tunnistamiseen ja estämiseen frontend-verkkokehityksessä, keskittyen kriittiseen resurssilukkosyklien estämiseen.

Lukkiutumisten ymmärtäminen frontendissä

Lukkiutuminen tapahtuu, kun kaksi tai useampi prosessi (meidän tapauksessamme selaimessa suoritettava JavaScript-koodi) ovat estyneet loputtomiin, kukin odottaen toisen vapauttavan resurssin. Frontend-kontekstissa resursseja voivat olla:

• JavaScript-oliot: Käytetään mutexeina tai semaforeina jaetun datan käytön hallintaan.
• Local Storage/Session Storage: Tallennustilan käyttö ja muokkaaminen voi johtaa kiistoihin.
• Web Workerit: Pääsäikeen ja workereiden välinen viestintä voi luoda riippuvuuksia.
• Ulkoiset API-rajapinnat: Toisistaan riippuvaisten API-vastausten odottaminen voi johtaa lukkiutumisiin.
• DOM-manipulaatio: Laajat ja synkronoidut DOM-operaatiot, vaikkakin harvinaisempia, voivat myötävaikuttaa.

Toisin kuin perinteisissä käyttöjärjestelmissä, frontend-ympäristö toimii (pääasiassa) yksisäikeisen tapahtumasilmukan rajoissa. Vaikka Web Workerit tuovat rinnakkaisuutta, niiden ja pääsäikeen välinen viestintä vaatii huolellista hallintaa lukkiutumisten välttämiseksi. Avainasemassa on tunnistaa, kuinka asynkroniset operaatiot, Promiset ja `async/await` voivat peittää resurssiriippuvuuksien monimutkaisuuden, mikä tekee lukkiutumisten tunnistamisesta vaikeampaa.

Neljä ehtoa lukkiutumiselle (Coffmanin ehdot)

Lukkiutumisen syntymiseen vaadittavien, Coffmanin ehtoina tunnettujen ehtojen ymmärtäminen on ratkaisevan tärkeää sen estämiseksi:

1. Keskinäinen poissulkeminen: Resursseja käytetään yksinoikeudella. Vain yksi prosessi voi pitää resurssia hallussaan kerrallaan.
2. Pitäminen ja odottaminen: Prosessi pitää hallussaan resurssia odottaessaan toista resurssia.
3. Pakotetun vapauttamisen esto (No Preemption): Resurssia ei voi väkisin ottaa pois sitä hallussaan pitävältä prosessilta. Se on vapautettava vapaaehtoisesti.
4. Rengasodotus: On olemassa prosesseista muodostuva rengasmainen ketju, jossa jokainen prosessi odottaa resurssia, joka on ketjun seuraavan prosessin hallussa.

Lukkiutuminen voi tapahtua vain, jos kaikki nämä neljä ehtoa täyttyvät. Siksi lukkiutumisen estäminen edellyttää vähintään yhden näistä ehdoista rikkomista.

Resurssilukkosyklin tunnistaminen: estämisen ydin

Yleisin lukkiutumistyyppi frontendissä syntyy rengasriippuvuuksista lukkoja hankittaessa, mistä tulee termi "resurssilukkosykli". Tämä ilmenee usein sisäkkäisissä asynkronisissa operaatioissa. Havainnollistetaan tätä esimerkillä:

Esimerkki (yksinkertaistettu lukkiutumisskenaario):

            // Kaksi asynkronista funktiota, jotka hankkivat ja vapauttavat lukkoja
async function operationA(resource1, resource2) {
  await acquireLock(resource1);
  try {
    await operationB(resource2, resource1); // Kutsuu operationB:tä, mahdollisesti odottaen resurssia resource2
  } finally {
    releaseLock(resource1);
  }
}

async function operationB(resource2, resource1) {
  await acquireLock(resource2);
  try {
    // Suorita jokin operaatio
  } finally {
    releaseLock(resource2);
  }
}

// Yksinkertaistetut lukon hankinta-/vapautusfunktiot
const locks = {};

async function acquireLock(resource) {
  return new Promise((resolve) => {
    if (!locks[resource]) {
      locks[resource] = true;
      resolve();
    } else {
      // Odota, kunnes resurssi vapautetaan
      const interval = setInterval(() => {
        if (!locks[resource]) {
          locks[resource] = true;
          clearInterval(interval);
          resolve();
        }
      }, 50); // Kyselyväli
    }
  });
}

function releaseLock(resource) {
  locks[resource] = false;
}

// Simuloi lukkiutuminen
async function simulateDeadlock() {
  await operationA('resource1', 'resource2');
  await operationB('resource2', 'resource1');
}

simulateDeadlock();

            

              
                Copy
              
            
          

Tässä esimerkissä, jos `operationA` hankkii resurssin `resource1` ja kutsuu sitten `operationB`:tä, joka odottaa resurssia `resource2`, ja `operationB` kutsutaan tavalla, jossa se yrittää ensin hankkia resurssin `resource2`, mutta tuo kutsu tapahtuu ennen kuin `operationA` on suoritettu loppuun ja vapauttanut resurssin `resource1`, ja se yrittää hankkia resurssin `resource1`, syntyy lukkiutuminen. `operationA` odottaa, että `operationB` vapauttaa resurssin `resource2`, ja `operationB` odottaa, että `operationA` vapauttaa resurssin `resource1`.

Tunnistustekniikat

Resurssilukkosyklien tunnistaminen frontend-koodista voi olla haastavaa, mutta useita tekniikoita voidaan käyttää:

1. Lukkiutumisen esto (suunnitteluvaiheessa): Paras lähestymistapa on suunnitella sovellus siten, että vältetään lukkiutumiseen johtavat olosuhteet jo alun perin. Katso estostrategiat alla.
2. Lukkojen järjestys: Pakota johdonmukainen järjestys lukkojen hankinnalle. Jos kaikki prosessit hankkivat lukot samassa järjestyksessä, rengasodotus estyy.
3. Aikakatkaisuun perustuva tunnistus: Ota käyttöön aikakatkaisut lukkojen hankinnalle. Jos prosessi odottaa lukkoa kauemmin kuin ennalta määritetyn ajan, se voi olettaa lukkiutumisen ja vapauttaa nykyiset lukonsa.
4. Resurssien allokointigraafit: Luo suunnattu graafi, jossa solmut edustavat prosesseja ja resursseja. Kaaret edustavat resurssipyyntöjä ja -allokointeja. Sykli graafissa osoittaa lukkiutumisen. (Tämä on monimutkaisempi toteuttaa frontendissä).
5. Virheenkorjaustyökalut: Selaimen kehittäjätyökalut voivat auttaa tunnistamaan pysähtyneitä asynkronisia operaatioita. Etsi Promiseja, jotka eivät koskaan ratkea, tai funktioita, jotka ovat estyneet loputtomiin.

Estostrategiat: Coffmanin ehtojen rikkominen

Lukkiutumisten estäminen on usein tehokkaampaa kuin niiden tunnistaminen ja niistä toipuminen. Tässä on strategioita kunkin Coffmanin ehdon rikkomiseksi:

1. Keskinäisen poissulkemisen rikkominen

Tätä ehtoa on usein mahdoton välttää, koska resurssien yksinoikeudellinen käyttö on usein välttämätöntä datan johdonmukaisuuden kannalta. Harkitse kuitenkin, voitko todella välttää datan jakamisen kokonaan. Muuttumattomuus (immutability) voi olla tässä voimakas työkalu. Jos data ei koskaan muutu luomisen jälkeen, ei ole syytä suojata sitä lukoilla. Kirjastot, kuten Immutable.js, voivat auttaa tämän saavuttamisessa.

2. Pitäminen ja odottamisen rikkominen

• Hanki kaikki lukot kerralla: Sen sijaan, että hankkisit lukkoja asteittain, hanki kaikki tarvittavat lukot operaation alussa. Jos jotakin lukkoa ei voida hankkia, vapauta kaikki lukot ja yritä myöhemmin uudelleen.
• TryLock: Käytä ei-blokkaavaa `tryLock`-mekanismia. Jos lukkoa ei voida hankkia välittömästi, prosessi voi suorittaa muita tehtäviä tai vapauttaa nykyiset lukonsa. (Vähemmän sovellettavissa standardissa JS-ympäristössä ilman nimenomaisia rinnakkaisuusominaisuuksia, mutta konseptia voidaan jäljitellä huolellisella Promise-hallinnalla).

Esimerkki (kaikkien lukkojen hankkiminen kerralla):

            async function operationC(resource1, resource2) {
  let lock1Acquired = false;
  let lock2Acquired = false;
  try {
    lock1Acquired = await tryAcquireLock(resource1);
    if (!lock1Acquired) {
      return false; // Ei voitu hankkia lukkoa lock1, keskeytä
    }

    lock2Acquired = await tryAcquireLock(resource2);
    if (!lock2Acquired) {
      releaseLock(resource1);
      return false; // Ei voitu hankkia lukkoa lock2, keskeytä ja vapauta lock1
    }

    // Suorita operaatio molempien resurssien ollessa lukittuna
    console.log('Molemmat lukot hankittu onnistuneesti!');
    return true;

  } finally {
    if (lock1Acquired) {
      releaseLock(resource1);
    }
    if (lock2Acquired) {
      releaseLock(resource2);
    }
  }
}

async function tryAcquireLock(resource) {
    if (!locks[resource]) {
      locks[resource] = true;
      return true; // Lukko hankittu onnistuneesti
    } else {
      return false; // Lukko on jo varattu
    }
}

            

              
                Copy
              
            
          

3. Pakotetun vapauttamisen eston rikkominen

Tyypillisessä JavaScript-ympäristössä resurssin pakotettu vapauttaminen funktiosta on vaikeaa. Vaihtoehtoiset mallit voivat kuitenkin simuloida pakotettua vapauttamista:

• Aikakatkaisut ja peruutusmerkit: Käytä aikakatkaisuja rajoittamaan aikaa, jonka prosessi voi pitää lukkoa. Jos aikakatkaisu umpeutuu, prosessi vapauttaa lukon. Peruutusmerkit (cancellation tokens) voivat viestittää prosessille, että sen tulee vapauttaa lukot vapaaehtoisesti. Kirjastot, kuten `AbortController` (vaikka pääasiassa fetch-API-pyyntöihin), tarjoavat samanlaisia peruutusominaisuuksia, joita voidaan mukauttaa.

Esimerkki (aikakatkaisu `AbortController`:n avulla):

            async function operationWithTimeout(resource, timeoutMs) {
  const controller = new AbortController();
  const timeoutId = setTimeout(() => {
    controller.abort(); // Ilmoita peruutuksesta aikakatkaisun jälkeen
  }, timeoutMs);

  try {
    await acquireLock(resource, controller.signal);
    console.log('Lukko hankittu, suoritetaan operaatiota...');
    // Simuloi pitkäkestoista operaatiota
    await new Promise(resolve => setTimeout(resolve, 2000));

  } catch (error) {
    if (error.name === 'AbortError') {
      console.log('Operaatio peruutettu aikakatkaisun vuoksi.');
    } else {
      console.error('Virhe operaation aikana:', error);
    }
  } finally {
    clearTimeout(timeoutId);
    releaseLock(resource);
    console.log('Lukko vapautettu.');
  }
}

async function acquireLock(resource, signal) {
  return new Promise((resolve, reject) => {
    if (locks[resource]) {
      const intervalId = setInterval(() => {
        if (!locks[resource]) {
            locks[resource] = true; //Yritä hankkia
            clearInterval(intervalId);
            resolve();
        }
      }, 50);

      signal.addEventListener('abort', () => {
        clearInterval(intervalId);
        reject(new Error('Aborted'));
      });

    } else {
      locks[resource] = true;
      resolve();
    }

  });
}

            

              
                Copy
              
            
          

4. Rengasodotuksen rikkominen

• Lukkojen järjestys (hierarkia): Määritä globaali järjestys kaikille resursseille. Prosessien on hankittava lukot tässä järjestyksessä. Tämä estää rengasriippuvuudet.
• Vältä sisäkkäisiä lukkojen hankintoja: Uudelleenjärjestele koodia minimoidaksesi tai poistaaksesi sisäkkäiset lukkojen hankinnat. Harkitse vaihtoehtoisia tietorakenteita tai algoritmeja, jotka vähentävät useiden lukkojen tarvetta.

Esimerkki (lukkojen järjestys):

            // Määritä globaali järjestys resursseille
const resourceOrder = ['resourceA', 'resourceB', 'resourceC'];

async function operationWithOrderedLocks(resource1, resource2) {
  const index1 = resourceOrder.indexOf(resource1);
  const index2 = resourceOrder.indexOf(resource2);

  if (index1 === -1 || index2 === -1) {
    throw new Error('Invalid resource name.');
  }

  // Varmista, että lukot hankitaan oikeassa järjestyksessä
  const firstResource = index1 < index2 ? resource1 : resource2;
  const secondResource = index1 < index2 ? resource2 : resource1;

  try {
    await acquireLock(firstResource);
    try {
      await acquireLock(secondResource);
      // Suorita operaatio molempien resurssien ollessa lukittuna
      console.log(`Operation with ${firstResource} and ${secondResource}`);
    } finally {
      releaseLock(secondResource);
    }
  } finally {
    releaseLock(firstResource);
  }
}

            

              
                Copy
              
            
          

Frontend-kohtaisia huomioita

• Yksisäikeinen luonne: Vaikka JavaScript on pääasiassa yksisäikeinen, asynkroniset operaatiot voivat silti johtaa lukkiutumisiin, jos niitä ei hallita huolellisesti.
• Käyttöliittymän reagoivuus: Lukkiutumiset voivat jäädyttää käyttöliittymän, mikä tarjoaa huonon käyttökokemuksen. Perusteellinen testaus ja valvonta ovat välttämättömiä.
• Web Workerit: Pääsäikeen ja Web Workereiden välinen viestintä on järjestettävä huolellisesti lukkiutumisten välttämiseksi. Käytä viestien välitystä ja vältä jaettua muistia mahdollisuuksien mukaan.
• Tilanhallintakirjastot (Redux, Vuex, Zustand): Ole varovainen käyttäessäsi tilanhallintakirjastoja, erityisesti tehdessäsi monimutkaisia päivityksiä, jotka koskevat useita tilan osia. Vältä rengasriippuvuuksia reducereiden tai mutaatioiden välillä.

Käytännön esimerkkejä ja koodinpätkiä (edistynyt)

1. Lukkiutumisen tunnistaminen resurssien allokointigraafilla (käsitteellinen)

Vaikka täydellisen resurssien allokointigraafin toteuttaminen JavaScriptissä on monimutkaista, voimme havainnollistaa konseptia yksinkertaistetulla esityksellä.

            // Yksinkertaistettu resurssien allokointigraafi (käsitteellinen)
class ResourceAllocationGraph {
  constructor() {
    this.graph = {}; // { prosessi: [pidetyt resurssit], resurssi: [odottavat prosessit] }
  }

  addProcess(process) {
    this.graph[process] = {held: [], waitingFor: null};
  }

  addResource(resource) {
    if(!this.graph[resource]) {
      this.graph[resource] = []; //resurssia odottavat prosessit
    }
  }

  allocateResource(process, resource) {
    if (!this.graph[process]) this.addProcess(process);
    if (!this.graph[resource]) this.addResource(resource);

    if (this.graph[resource].length === 0) {
      this.graph[process].held.push(resource);
      this.graph[resource] = process;

    } else {
      this.graph[process].waitingFor = resource; //prosessi odottaa resurssia
      this.graph[resource].push(process); //lisää prosessi jonoon odottamaan tätä resurssia

    }
  }

  releaseResource(process, resource) {
    const index = this.graph[process].held.indexOf(resource);
    if (index > -1) {
      this.graph[process].held.splice(index, 1);

      this.graph[resource] = null;

    }
  }

  detectCycle() {
    // Toteuta syklin tunnistusalgoritmi (esim. syvyyssuuntainen haku)
    // Tämä on yksinkertaistettu esimerkki ja vaatii oikean DFS-toteutuksen
    // graafin syklien tarkkaan tunnistamiseen.
    // Ideana on käydä graafi läpi ja etsiä takaisinkaaria.

    let visited = new Set();
    let recursionStack = new Set();

    for (const process in this.graph) {
      if (!visited.has(process)) {
        if (this.dfs(process, visited, recursionStack)) {
          return true; // Sykli havaittu
        }
      }
    }

    return false; // Ei sykliä havaittu
  }

  dfs(process, visited, recursionStack) {
      visited.add(process);
      recursionStack.add(process);

      if (this.graph[process].waitingFor) {
          let resourceWaitingFor = this.graph[process].waitingFor;
          if(this.graph[resourceWaitingFor] !== null) { //Resurssi on käytössä
            let waitingProcess = this.graph[resourceWaitingFor];
            if(recursionStack.has(waitingProcess)) {
              return true; //Sykli havaittu
            }

            if(visited.has(waitingProcess) == false) {
              if(this.dfs(waitingProcess, visited, recursionStack)){
                return true;
              }
            }
          }

      }

      recursionStack.delete(process);
      return false;
  }
}

// Käyttöesimerkki (käsitteellinen)
const graph = new ResourceAllocationGraph();
graph.addProcess('processA');
graph.addProcess('processB');
graph.addResource('resource1');
graph.addResource('resource2');

graph.allocateResource('processA', 'resource1');
graph.allocateResource('processB', 'resource2');
graph.allocateResource('processA', 'resource2'); // processA odottaa nyt resurssia resource2
graph.allocateResource('processB', 'resource1'); // processB odottaa nyt resurssia resource1

if (graph.detectCycle()) {
  console.log('Lukkiutuminen havaittu!');
} else {
  console.log('Ei lukkiutumista havaittu.');
}

            

              
                Copy
              
            
          

Tärkeää: Tämä on huomattavasti yksinkertaistettu esimerkki. Todellinen toteutus vaatisi vankemman syklin tunnistusalgoritmin (esim. käyttäen syvyyssuuntaista hakua ja asianmukaista suunnattujen kaarien käsittelyä), resurssien haltijoiden ja odottajien asianmukaista seurantaa sekä integrointia sovelluksessa käytettävään lukitusmekanismiin.

2. `async-mutex`-kirjaston käyttö

Vaikka sisäänrakennetussa JavaScriptissä ei ole natiiveja mutexeja, kirjastot kuten `async-mutex` voivat tarjota jäsennellymmän tavan hallita lukkoja.

            //Asenna async-mutex npm:n kautta
//npm install async-mutex

import { Mutex } from 'async-mutex';

const mutex1 = new Mutex();
const mutex2 = new Mutex();

async function operationWithMutex(resource1, resource2) {
  const release1 = await mutex1.acquire();
  try {
    const release2 = await mutex2.acquire();
    try {
      // Suorita operaatiot resursseilla resource1 ja resource2
      console.log(`Operation with ${resource1} and ${resource2}`);
    } finally {
      release2(); // Vapauta mutex2
    }
  } finally {
    release1(); // Vapauta mutex1
  }
}

            

              
                Copy
              
            
          

Testaus ja valvonta

• Yksikkötestit: Kirjoita yksikkötestejä simuloimaan rinnakkaisia skenaarioita ja varmista, että lukot hankitaan ja vapautetaan oikein.
• Integraatiotestit: Testaa sovelluksen eri komponenttien välistä vuorovaikutusta mahdollisten lukkiutumisten tunnistamiseksi.
• End-to-End-testit: Suorita end-to-end-testejä simuloidaksesi todellisia käyttäjäinteraktioita ja havaitaksesi lukkiutumisia, jotka saattavat ilmetä tuotannossa.
• Valvonta: Ota käyttöön valvonta seurataksesi lukkojen kiistelyä ja tunnistaaksesi suorituskyvyn pullonkauloja, jotka voivat viitata lukkiutumisiin. Käytä selaimen suorituskyvyn valvontatyökaluja seurataksesi pitkäkestoisia tehtäviä ja estyneitä resursseja.

Yhteenveto

Lukkiutumiset frontend-verkkosovelluksissa ovat hienovarainen mutta vakava ongelma, joka voi johtaa käyttöliittymän jäätymiseen ja huonoon käyttökokemukseen. Ymmärtämällä Coffmanin ehdot, keskittymällä resurssilukkosyklien estämiseen ja käyttämällä tässä artikkelissa esitettyjä strategioita voit rakentaa vankempia ja luotettavampia frontend-sovelluksia. Muista, että ennaltaehkäisy on aina parempi kuin hoito, ja huolellinen suunnittelu ja testaus ovat välttämättömiä lukkiutumisten välttämiseksi. Priorisoi selkeää, ymmärrettävää koodia ja ole tietoinen asynkronisista operaatioista pitääksesi frontend-koodin ylläpidettävänä ja estääksesi resurssien kiistelyongelmat.

Harkitsemalla näitä tekniikoita huolellisesti ja integroimalla ne kehitystyönkulkuusi voit merkittävästi vähentää lukkiutumisten riskiä ja parantaa frontend-sovellustesi yleistä vakautta ja suorituskykyä.